楊 江，胡 亮，李 俊

（1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203；2.中國(guó)船級(jí)社規(guī)范與技術(shù)中心，上海200135）

0 前 言

根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）的MEPC.280（70）號(hào)決議，MARPOL 公約附則VI 的條款14.1.3 將于2020 年1 月1 日正式生效［1］。 即從2020 年1 月1日起， 含硫量高于0.5%的燃料油將不得在船上使用。 MARPOL 公約關(guān)于船用燃油含硫量限制時(shí)間軸見圖1。

圖1 MARPOL 公約關(guān)于船用燃油含硫量限制時(shí)間軸

為了滿足即將生效的全球硫排放控制的要求，不論新造船還是營(yíng)運(yùn)船，可以采取的應(yīng)對(duì)措施主要有：

1） 燃料前處理。 改用含硫量不超過0.5%的低硫燃料油，在硫排放控制區(qū)使用含硫量不超過0.1%的超低硫燃料油；

2）采用替代清潔燃料，比如LNG；

3） 廢氣后處理，通過安裝廢氣清洗系統(tǒng)（Exhaust Gas Cleaning System，EGCS），達(dá)到去除廢氣中硫氧化物的目的。

400 000 DWT 超大型礦砂船屬于營(yíng)運(yùn)船舶，從可行性和經(jīng)濟(jì)性兩方面分析，選擇一種最優(yōu)解決方案，并對(duì)所選定的方案，做具體的法規(guī)研究及改裝設(shè)計(jì)。

1 方案分析與研究

措施1 原船無需改造，但船東必須采購滿足要求的低硫燃油。 低硫燃油不僅價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)含硫含3.5%的燃油，由于低硫油的低閃點(diǎn)、低潤(rùn)滑、低黏度等物理特性，長(zhǎng)期使用會(huì)增加油泵、柴油機(jī)缸套損壞風(fēng)險(xiǎn)，從而影響備件更換頻率及柴油機(jī)使用壽命，長(zhǎng)期來看船東將承擔(dān)更高的營(yíng)運(yùn)成本。

表1 LNG 改裝主要項(xiàng)目清單

措施2 需要進(jìn)行LNG 改造。 作為第二代400 000 DWT 礦砂船， 在原船設(shè)計(jì)的時(shí)候已為L(zhǎng)NG系統(tǒng)預(yù)留了空間，并取得LNG READY 的船級(jí)符號(hào)，LNG 改造是可行的。 表1 為L(zhǎng)NG 改造的主要項(xiàng)目清單，不難發(fā)現(xiàn)：原船的主機(jī)需要進(jìn)行LNG 改裝；由于原船發(fā)電機(jī)組不可改裝成雙燃料發(fā)電機(jī)組，且供氣系統(tǒng)帶來的電負(fù)荷增加，原船的發(fā)電機(jī)組需要拆除并更換更大功率的雙燃料發(fā)電機(jī)組；輔鍋爐兼做LNG 罐艙的氣體自然蒸發(fā)的燃?xì)鈫卧?，原燃油鍋爐需要拆除并更換蒸發(fā)量更大的雙燃料鍋爐； 加裝LNG 罐艙、供氣系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、船體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)以及新增管路等。 現(xiàn)階段進(jìn)行LNG 改造成本在約3 000 萬美元，改造成本過高，改造周期也長(zhǎng)，而且目前這條航線（中國(guó)—巴西往返）上LNG加注并不方便，措施2 在經(jīng)濟(jì)性和可行性上都不高，沒有成為船東的首選。

措施3 是對(duì)原船的主機(jī)、發(fā)電機(jī)組采取廢氣后處理方式。 由于主輔機(jī)的廢氣需要通過脫硫塔，排氣背壓會(huì)有一定的增加。 通過對(duì)排氣背壓的反復(fù)核算，優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置，將增加脫硫系統(tǒng)之后的排氣背壓控制在原船主機(jī)和發(fā)電機(jī)組的允許范圍以內(nèi)，避免了對(duì)于原船的主機(jī)和發(fā)電機(jī)組的改造。 進(jìn)行EGCS 加裝，需要改造的主要項(xiàng)目清單見表2。

表2 EGCS 改裝主要項(xiàng)目清單

對(duì)EGCS 加裝的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析： 假設(shè)該船年運(yùn)行天數(shù)為300 d，普通燃油（3.5%S）的價(jià)格為300美元/t，低硫燃油（0.5%S）的價(jià)格為400 美元/t，超低硫燃油（0.1%S）的價(jià)格為450 美元/t，詳細(xì)分析見表3。表中主輔機(jī)日平均燃油消耗的計(jì)算， 主機(jī)采用了CSR（85%SMCR）點(diǎn)功率，發(fā)電機(jī)組采用85%的負(fù)荷點(diǎn)功率。

通過初步的經(jīng)濟(jì)性分析，不難發(fā)現(xiàn)，加裝EGCS的投資回報(bào)周期不到3 年（見表3），相對(duì)于至少20年的營(yíng)運(yùn)時(shí)間來說，經(jīng)濟(jì)性非常明顯，適合船東投資。隨著脫硫市場(chǎng)的成熟，以后可供選擇的EGCS 的廠家越來越多，EGCS 的采購成本會(huì)更低。

通過以上對(duì)比分析及進(jìn)一步市場(chǎng)調(diào)研，船東最終確定選擇加裝一套開式的廢氣清洗系統(tǒng)以滿足即將生效的硫排放要求。

2 EGCS 改裝設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題及難點(diǎn)

2.1 脫硫塔布置問題

由于脫硫塔尺寸較大， 本體高約11.8 m， 直徑5.1 m，U 型部分高約7.6 m，直徑2.3 m，如何布置是改裝方案的重點(diǎn)之一，也是難點(diǎn)所在。 針對(duì)實(shí)船情況，對(duì)于脫硫塔體的布置，提供了兩個(gè)方案供船東選擇。

方案1：割除原煙囪，保持首尾方向長(zhǎng)度不變，對(duì)原煙囪進(jìn)行加寬，見圖2。原煙囪內(nèi)的設(shè)備和管路與新增的脫硫塔綜合考慮，重新布置。 好處是煙囪外觀更美觀，整體性強(qiáng)，便于船東的管理。 但是原煙囪內(nèi)的設(shè)備及管路，如廢氣鍋爐、焚燒爐、空氣管、機(jī)艙通風(fēng)等，需要等船舶進(jìn)廠之后才能重新布置，塢期和改裝時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一點(diǎn)。

表3 EGCS 改裝經(jīng)濟(jì)性分析

圖2 加大的煙囪方案

方案2：保留原煙囪，在原煙囪后面增加一個(gè)新煙囪，將脫硫塔及部分相關(guān)設(shè)備布置在新煙囪內(nèi)，見圖3。這個(gè)方案的好處是新煙囪可以在船廠預(yù)制，脫硫塔及新煙囪內(nèi)的管路也可以在船廠預(yù)安裝，等船舶進(jìn)塢后直接吊裝上船并與原船結(jié)構(gòu)對(duì)接。 與方案1 相比， 可以縮短船舶停運(yùn)改裝時(shí)間及降低改裝費(fèi)用，但增加的結(jié)構(gòu)更多，會(huì)增加更多的空船重量。

圖3 新增煙囪方案

綜合考慮之后，為了最大限度地降低船舶停運(yùn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失，最終確定采用方案2。

2.2 新舊煙囪連通方案

確定采用新增煙囪的方案后，接下來要確定新煙囪與舊煙囪是否連通，以及如果相互連通，在什么位置連通。 這里主要是滿足法規(guī)的要求，包括消防、探火以及通風(fēng)。

2.2.1 固定式滅火

機(jī)艙屬于A 類機(jī)器處所，新煙囪與舊煙囪相互連通，那么新煙囪也屬于A 類機(jī)器處所。 如果原船機(jī)艙采用CO2滅火， 新煙囪與舊煙囪連通的話，新煙囪也需要CO2保護(hù)。 被保護(hù)容積的增加導(dǎo)致原船的CO2瓶數(shù)不夠，需要增加CO2瓶并增加CO2管的敷設(shè)。

如果原船機(jī)艙采用高倍泡沫滅火，且新煙囪內(nèi)沒有燃油等高失火風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，新煙囪與舊煙囪可以在較高的位置連通，而不需要增設(shè)泡沫滅火。

2.2.2 其他要求

無論新舊煙囪連通與否，按照SOLAS 要求新煙囪內(nèi)需要增加兩具消防水槍，以及適當(dāng)數(shù)量的便攜式滅火器。

新增的煙囪是按機(jī)器處所設(shè)計(jì)的，無論連通與否，探火的設(shè)計(jì)不受影響。

如果新煙囪提供了單獨(dú)的機(jī)械通風(fēng)，新煙囪與舊煙囪連通的話，送風(fēng)機(jī)需要能在所在處所以外關(guān)閉。

綜合以上分析，考慮到原船的機(jī)艙采用泡沫滅火，決定采用新煙囪與舊煙囪相互連通的方案，連通位置位于E 甲板以上。 原有的泡沫滅火系統(tǒng)無需改動(dòng)，而且采取這種設(shè)計(jì)后省去了排氣管穿艙的布置，為每艘船節(jié)省了1 個(gè)DN1 900 mm 和3 個(gè)DN450 mm的膨脹節(jié)， 為船東節(jié)省了約2 萬美元/船的設(shè)備費(fèi)用。

2.3 EGCS 海水供給

原船海水總管的設(shè)計(jì)沒有考慮脫硫改裝的要求，并且原船的底部管路布置緊湊，如果對(duì)原船海水總管進(jìn)行加粗，底部的管路基本要全部重新布置，改裝難度太大，周期和成本也高。 基于這個(gè)原因及實(shí)船勘察情況，確定保持原船的海水管路系統(tǒng)，增加一個(gè)獨(dú)立的廢氣清洗用海水箱，脫硫海水管采用獨(dú)立的海水吸入管。

2.4 EGCS 洗滌水排出管

廢氣洗滌脫硫后，洗滌水呈酸性，通常選用耐腐蝕性的玻璃鋼管作為洗滌水排出管。 按照規(guī)范對(duì)于非金屬管材的要求，舷側(cè)閥的控制位置需要位于閥所在處所以外。 該船將該閥遠(yuǎn)程控制位置布置于舵機(jī)艙內(nèi)。

2.5 閉式循環(huán)空間預(yù)留

考慮到日益嚴(yán)格的排放要求，以及規(guī)范未來變化的不確定性，在這次改裝設(shè)計(jì)的過程中，提前考慮了閉式循環(huán)設(shè)備（閉式循環(huán)艙、循環(huán)供給泵、水處理單元、熱交換器）和堿液艙及渣艙的空間預(yù)留，方便船東未來可能的閉式循環(huán)升級(jí)改裝。 閉式循環(huán)的額外設(shè)備及堿液艙、渣艙空間預(yù)留見圖4 及圖5。

圖4 閉式設(shè)備空間預(yù)留

圖5 閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)艙柜空間預(yù)留

以上，以現(xiàn)行規(guī)范為指導(dǎo)，結(jié)合該船實(shí)際情況，從脫硫塔體及排氣管布置、煙囪的設(shè)計(jì)、消防、洗滌水供應(yīng)及排出以及閉式循環(huán)預(yù)留幾個(gè)方面著手，提出了一套經(jīng)濟(jì)可行的脫硫系統(tǒng)改裝方案。

3 脫硫系統(tǒng)的智能化應(yīng)用

招商明華投建的“明遠(yuǎn)”輪和“明卓”輪是第二代400 000 DWT 礦砂船中最特殊的兩艘船， 作為智能船舶1.0 的示范應(yīng)用船， 該船充分貫徹執(zhí)行了上船院提出的“平臺(tái)+應(yīng)用”的智能船設(shè)計(jì)理念，通過構(gòu)建統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了包括船舶綜合能效管理、設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)、自動(dòng)駕駛輔助決策、貨物狀態(tài)監(jiān)控和船岸一體化通信管理等五大智能功能。 其中，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是信息的“高速公路”，通過構(gòu)建可拓展性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)能兼容各種通信方式的智能網(wǎng)關(guān)，制定船舶訂閱發(fā)布式數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了信息安全、高效、準(zhǔn)確的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用。 正是這種高度可擴(kuò)展的智能化整體架構(gòu)使脫硫系統(tǒng)的重要監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集變?yōu)榱丝赡堋?/p>

信息感知是智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 首先與脫硫系統(tǒng)廠家確定采用MODBUS 通信協(xié)議，但起初，廠家僅可以提供5 個(gè)信號(hào)，分別是應(yīng)急停止、運(yùn)行信號(hào)、無故障、無報(bào)警和電源故障，作用并不大。 經(jīng)過多方的努力，最終的通信協(xié)議覆蓋了脫硫系統(tǒng)的主要信息，包括：脫硫海水泵運(yùn)行信號(hào)、沖洗水流量、沖洗水溫度及壓力、排出水溫度及壓力、主輔機(jī)排氣管路背壓、脫硫塔進(jìn)口排氣壓力及溫度、脫硫塔出口排氣壓力及溫度、排氣閥位置、舷側(cè)閥位置、沖洗水分析、排出水分析、排出廢氣分析等。 這些信息的接入為數(shù)據(jù)分析服務(wù)和后續(xù)可能增加的智能應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

脫硫系統(tǒng)所提供的上述信號(hào)，通過RS485 串口通信，接至位于機(jī)艙集控室門口的智能網(wǎng)關(guān)，由智能網(wǎng)關(guān)將所有信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于發(fā)布訂閱的DDS 通信協(xié)議，發(fā)布至信息平臺(tái)，再通過船/岸通信設(shè)備將收集的數(shù)據(jù)傳輸給岸基，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)信號(hào)船岸共享。 脫硫系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)拇笾铝鞒桃妶D6。

圖6 脫硫系統(tǒng)信號(hào)傳輸流程簡(jiǎn)圖

脫硫系統(tǒng)對(duì)于船舶行業(yè)來講是一個(gè)較新的設(shè)備， 對(duì)于其運(yùn)行的安全性和可靠性都有待驗(yàn)證。 該船脫硫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的結(jié)果：一是便于船舶管理方實(shí)時(shí)掌握硫排放情況。 二是有助于脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，可以為后續(xù)脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供實(shí)船經(jīng)驗(yàn)。 隨著智能系統(tǒng)工作站的數(shù)據(jù)積累及自我學(xué)習(xí)，智能工作站還能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，并給出運(yùn)行預(yù)警，有助于船員及早發(fā)現(xiàn)并消除系統(tǒng)隱患。 三是可以在必要的時(shí)候借助岸基的專家資源為船員提供運(yùn)營(yíng)及維護(hù)指導(dǎo)建議。

4 結(jié) 語

隨著全球船用燃油硫氧化物0.5%排放控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)迫近，越來越多船東選擇脫硫系統(tǒng)作為應(yīng)對(duì)措施，營(yíng)運(yùn)船舶脫硫系統(tǒng)的改裝設(shè)計(jì)尤其困難。 本文基于改裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從經(jīng)濟(jì)性、可行性、成本控制、規(guī)范要求等方面總結(jié)，為今后營(yíng)運(yùn)船舶和新造船脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

作為世界首艘同時(shí)獲得CCS 和DNV GL 雙船級(jí)社智能符號(hào)的智能船舶， 以“明遠(yuǎn)” 輪為代表的400 000 DWT 智能礦砂船， 通過將脫硫系統(tǒng)的信息接入高度可擴(kuò)展的智能船舶網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)， 并通過后續(xù)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)， 可以為船東提供全壽命周期的技術(shù)支持服務(wù)，意義深遠(yuǎn)。